Πριν από εννέα χρόνια, Αμερικανοί επιστήμονες με επικεφαλής τον γενετιστή Κρεγκ Βέντερ ανακοίνωσαν ότι δημιούργησαν το πρώτο
Ωστόσο, λίγα χρόνια αργότερα, οι επιστήμονες το αναγνώρισαντο γονιδίωμα του βακτηρίου δεν άλλαξε πραγματικά ριζικά. Παρ 'όλα αυτά, το έργο επιστημόνων σηματοδότησε την αρχή μιας νέας κατεύθυνσης στη γενετική, η οποία ασχολείται με τη δημιουργία οργανισμών με πλήρως επεξεργασμένο DNA.
E. coli Ε. Coli
Επιστήμονες απόέργο GP-write - έχουν ήδη καταφέρει να δημιουργήσουν τεχνητά αντίγραφα 2 από τα 16 χρωμοσώματα που αποτελούν το γονιδίωμα ενός στελέχους μαγιάς αρτοποιίας. Αλλά το DNA του Mycoplasma mycoides περιέχει μόνο 1,08 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων και τα χρωμοσώματα ζυμομύκητα περιέχουν λιγότερα από 1 εκατομμύριο Το E. coli με το οποίο συνεργάστηκαν οι γενετιστές στο Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας του Ιατρικού Ερευνητικού Συμβουλίου της Αγγλίας περιέχει 4 εκατομμύρια βάσεις.
Ερευνητές με επικεφαλής τον Δρ Jason Chinέσπασε αυτές τις 4 εκατομμύρια βάσεις Escherichia coli σε 37 θραύσματα και τα συνέθεσε. Το δείγμα που προκύπτει είναι παρόμοιο με τα φυσικά του αντίστοιχα, αλλά επιβιώνει χάρη σε ένα μικρότερο σύνολο γενετικών εργαλείων.
Τι είναι το DNA και γιατί να το συνθέσουμε
Πρώτα απ 'όλα, αξίζει να καταλάβουμε τι είναι το DNA. Είναι το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, το οποίο είναι το κληρονομικό υλικό του ανθρώπου και όλων των ζωντανών οργανισμών.
Σχεδόν κάθε κύτταρο στο ανθρώπινο σώμα έχει ένα καιτο ίδιο DNA. Το μεγαλύτερο μέρος του δεσοξυριβονουκλεϊκού οξέος βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου (ονομάζεται πυρηνικό DNA), αλλά υπάρχει σε μικρή ποσότητα στα μιτοχόνδρια.
Οι πληροφορίες στο DNA αποθηκεύονται ως ένας κώδικας που αποτελείταιΑπό τις τέσσερις χημικές βάσεις: αδενίνη (Α), γουανίνη (G), κυτοσίνη (C) και θυμίνη (Τ). Το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελείται από περίπου 3 δισεκατομμύρια βάσεις και περισσότερο από το 99% αυτών των βάσεων είναι το ίδιο για όλους. Η σειρά και η ακολουθία τους καθορίζουν τον τρόπο κατασκευής και συντήρησης του σώματος - ακριβώς όπως τα γράμματα του αλφαβήτου είναι χτισμένα με μια συγκεκριμένη σειρά, σχηματίζοντας λέξεις και προτάσεις.
Οι βάσεις DNA ζευγαρώνουν μεταξύ τους -για παράδειγμα, το A με το T και το C με το G για να σχηματίσουν μονάδες που ονομάζονται ζεύγη βάσεων. Κάθε βάση συνδέεται επίσης με ένα μόριο σακχάρου και ένα μόριο φωσφορικού. Μαζί, η βάση, το σάκχαρο και το φωσφορικό άλας ονομάζονται νουκλεοτίδιο.
Τα νουκλεοτίδια είναι διατεταγμένα με τη μορφή δύο μακριών κλώνων που σχηματίζουν μια διπλή έλικα - έτσι έχουμε συνηθίσει να σκεφτόμαστε το DNA.
DNA
Η δομή της διπλής έλικας είναι λίγο σαν μια σκάλα: τα ζεύγη βάσεων σχηματίζουν βήματα και τα μόρια σακχάρου και φωσφορικού σχηματίζουν κάθετες πλευρικές μερίδες.
Το DNA που έχει διπλωθεί σε ένα κελί περιέχει οδηγίεςαναγκαία για τη λειτουργία του. Για παράδειγμα, όταν ένα κύτταρο χρειάζεται περισσότερη πρωτεΐνη για να αναπτυχθεί, διαβάζει το DNA που κωδικοποιεί την επιθυμητή πρωτεΐνη. Τέτοιες ενώσεις καλούνται κωδικόνια και γράφονται με τρία γράμματα - για παράδειγμα, TCG και TCA.
Σχεδόν όλες οι μορφές ζωής, από μέδουσες μέχρι ανθρώπους,χρησιμοποιήστε 64 κωδικόνια. Αλλά πολλοί από αυτούς κάνουν την ίδια δουλειά ή επαναλαμβάνουν τις λειτουργίες τους. Συνολικά 61 κωδικόνια αποτελούν 20 αμινοξέα που απαντώνται στη φύση, τα οποία μπορούν να ενωθούν μεταξύ τους σαν σφαιρίδια σε μια χορδή για να δημιουργήσουν οποιαδήποτε πρωτεΐνη στη φύση. Τρία ακόμη κωδικόνια λειτουργούν ως ένα είδος φρένου - λένε στο κύτταρο πότε η πρωτεΐνη είναι έτοιμη και πρέπει να σταματήσει να την παράγει.
Τα κωδικόνια χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των αμινοξέων,συστατικά των πρωτεϊνών που παράγουν. Το TCA, για παράδειγμα, ορίζει τη σερίνη, που σημαίνει «να αφαιρείς αυτό το αμινοξύ από τον κυτταρικό ζωμό και να το συνδέεις στην πρωτεΐνη που παράγει το κύτταρο». Το AAG ανιχνεύει λυσίνη. TAA σημαίνει διακοπή της προσθήκης αμινοξέων στην αναπτυσσόμενη πρωτεΐνη. Αλλά AGT σημαίνει επίσης σερίνη, όπως και AGC, TCT, TCC και TCG. Εάν η φύση ήταν αποτελεσματική, θα χρησιμοποιούσε 20 κωδικόνια για 20 αμινοξέα, συν ένα για «σταμάτημα».
Οι ερευνητές προσπάθησαν να δημιουργήσουν έναν τέτοιο βελτιστοποιημένο οργανισμό.
Τι ακριβώς έκανε η γενετική
Μια ομάδα επιστημόνων από το Cambridge μελέτησε το σύνολογενετικός κώδικας του στελέχους E. coli και ανέλυσε τις λειτουργίες όλων των κωδικονίων. Στη συνέχεια, οι ερευνητές αντικατέστησαν το κωδικόνιο σερίνης με AGC, κάθε TCA (επίσης σερίνη) με AGT και κάθε TAG (κωδικόνιο διακοπής) με ΤΑΑ.
Συνολικά, συνέβαλαν στο DNA του Ε. coli 18 214 τροποποιήσεις - το γονιδίωμα που προέκυψε ήταν το μεγαλύτερο μπλοκ DNA που δημιουργήθηκε ποτέ με τεχνητή σύντηξη. Σε χαρτί, η καταγραφή του επεξεργασμένου γονιδιώματος φαίνεται πως οι ερευνητές αποφάσισαν να αντικαταστήσουν μια πολύ κοινή λέξη σε ένα ψηφιακό αντίγραφο του μυθιστορήματος Πόλεμος και Ειρήνη.
Ωστόσο, το πιο δύσκολο έργο ήταν η συλλογήχημικό αντίγραφο του επανεγγραφέντος γονιδιώματος και να το ανταλλάσσει για τους αρχικούς εσωτερικούς ζωντανούς οργανισμούς. Η εργασία αυτή πήρε περίπου δύο χρόνια από τους επιστήμονες: όταν κάθε συνθετικό θραύσμα αντικατέστησε τον αρχικό κώδικα, οι ερευνητές παρατήρησαν αν τα βακτήρια θα λειτουργούσαν ή θα πέθαιναν.
«Υπάρχουν πολλοί πιθανοί τρόποι επανακωδικοποίησηςγονιδίωμα, αλλά πολλά από αυτά είναι προβληματικά: το κύτταρο πεθαίνει. Για παράδειγμα, τα υποτιθέμενα συνώνυμα κωδικόνια μπορούν να παράγουν διαφορετικές ποσότητες πρωτεΐνης, και μερικές φορές πρωτεΐνες με απροσδόκητα χαρακτηριστικά που σκοτώνουν το κύτταρο».
Jason Chin, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα σχήμα επανακωδικοποίησηςπου κατέστησε δυνατή την αντικατάσταση του αρχικού κώδικα με έναν τεχνητό και τη διατήρηση του E. coli ζωντανό, παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκαν 59 κωδικόνια αντί για 61 για τη δημιουργία αμινοξέων και δύο αντί για 3 κωδικόνια για να σταματήσει αυτή η διαδικασία.
Έτσι, οι επιστήμονες μπόρεσαν να μειώσουν τον αριθμόκωδικόνια από 64 έως 61. Αυτό είναι ένα νέο ρεκόρ - μέχρι τώρα οι γενετιστές κατάφεραν να δημιουργήσουν το βακτήριο Escherichia coli, το οποίο θα μπορούσε να επιβιώσει μόνο με 63 κωδικόνια αντί για 64.
Τι θα οδηγήσει
Ο κύριος σκοπός της δημιουργίας ενός επεξεργασμένου γονιδιώματος -την ικανότητα να δίδουν στα κωδικονίδια την ικανότητα να παράγουν μία από τις εκατοντάδες των αμινοξέων, επιπλέον των 20, που καθορίζονται από τη φύση. Αυτό θα επιτρέψει τη σύνθεση νέων ενζύμων και άλλων πρωτεϊνών.
"Η φύση μας έδωσε ένα περιορισμένο σύνολο ενζύμων,των οποίων οι ιδιότητες μάθαμε να χρησιμοποιούμε για την εκτέλεση σύνθετων εργασιών, που κυμαίνονται από την παραγωγή τυριού και χυμού φρούτων μέχρι την παραγωγή βιοκαυσίμων και την ανίχνευση σημάτων σε βιολογικές δοκιμές. Μπορούμε να κάνουμε όλα αυτά με ένα σύνολο 20 αμινοξέων - φανταστείτε ποιες ευκαιρίες μπορούμε να πάρουμε από τη χρήση 22 ή περισσότερων αμινοξέων », δήλωσε ο Stat Ellis, ειδικός στη συνθετική βιολογία στο Imperial College London.
Μεταξύ αυτών των ευκαιριών είναι η δημιουργία νέωντην εμφάνιση νέων ευκαιριών για τη βιομηχανία και, κυρίως, τη δημιουργία βακτηρίων ανθεκτικών στους ιούς. Αυτό θα επιτρέψει στους φαρμακοποιούς να δημιουργήσουν φάρμακα που θα αντιμετωπίζουν αποτελεσματικότερα τους ιούς και τα βακτηρίδια.
Η ανακάλυψη των επιστημόνων έδωσε αυτές τις ευκαιρίες; Οχι. Όμως έχει σημειώσει μεγάλη πρόοδο στην προσπάθεια δημιουργίας ενός εντελώς συνθετικού γονιδιώματος ενός ζωντανού οργανισμού με λειτουργίες διαφορετικές από τις αρχικές.
"Αυξήθηκαν το πεδίο της συνθετικής γονιδιωματικήςτο νέο επίπεδο, όχι μόνο με επιτυχία τη συλλογή του μεγαλύτερου συνθετικού γονιδιώματος που δημιουργήθηκε ποτέ, αλλά και με τις μεγαλύτερες αλλαγές σε αυτό », κατέληξε η Alice σε συνέντευξή του στο The Guardian.